JP2012252960A

JP2012252960A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2012252960A
Application number: JP2011126605A
Authority: JP
Inventors: Hidetaka Nishimura; 英高西村; Yasushi Ichikawa; 靖市川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2011-06-06
Filing date: 2011-06-06
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2031-06-06
Also published as: JP5772248B2

Abstract

【課題】脈動運転時の発電性能及び排水性能を向上させる。
【解決手段】燃料電池スタック２に供給するアノードガスの圧力を周期的に増減圧させて発電するアノードガス非循環型の燃料電池システム１であって、燃料電池スタック２から排出されるアノードオフガスを蓄える下流バッファタンク４７と、下流バッファタンク４７の温度を燃料電池スタック２の温度に調節する下流バッファ温度調節機構４７２と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとして、アノードガス供給通路に常閉ソレノイド弁を設け、アノードガス排出通路に上流から順に常開ソレノイド弁とバッファタンク（リサイクルタンク）とを設けたものがある。

この従来の燃料電池システムは、アノードガス排出通路に排出された未使用のアノードガスを、アノードガス供給通路に戻さないアノードガス非循環型の燃料電池システムであり、アノード圧力を調整する制御弁によって、運転状態に応じた脈動幅でアノードガスの圧力を増減圧させる脈動運転を実施していた。

特表２００７−５１７３６９号公報

しかしながら、前述した従来の燃料電池システムは、バッファタンクの温度変化を考慮していなかった。そのため、バッファタンクの温度によっては、設定された脈動幅で脈動運転を実施すると、燃料電池スタック内部のアノードガス濃度が低下して発電の安定性が低下したり、液水の排出性能が低下するという問題点があった。

本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、バッファタンクの温度を一定に保つことで、安定した発電を行うとともに、液水の排出性能を確保することを目的とする。

本発明は、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を周期的に増減圧させて発電するアノードガス非循環型の燃料電池システムである。そして、その燃料電池システムが、燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄える下流バッファタンクと、下流バッファタンクの温度を燃料電池の温度に調節する下流バッファ温度調節機構と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、下流バッファ温度調節機構によって下流バッファタンクの温度を燃料電池の温度に調節し、バッファタンクの温度を一定に保って下流バッファタンクと燃料電池との間に温度差が生じるのを抑制できる。したがって、安定した発電を行うことができるとともに、液水の排出性能を確保することができる。

燃料電池の構成について説明する図である。本発明の第１実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システムの概略構成図である。定常運転時における脈動運転について説明する図である。アノードガス流路の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生する理由について説明する図である。本発明の第２実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システムの概略構成図である。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とで挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。

アノード電極：２Ｈ₂→４Ｈ⁺＋４ｅ^- …(１)
カソード電極：４Ｈ⁺＋４ｅ^-＋Ｏ₂→２Ｈ₂Ｏ …(２)

この（１）及び（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。

図１は、本発明の一実施形態による燃料電池１０の構成について説明する図である。図１（Ａ）は、燃料電池１０の概略斜視図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の燃料電池１０のＢ−Ｂ断面図である。

燃料電池１０は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）１１の表裏両面に、アノードセパレータ１２とカソードセパレータ１３とが配置されて構成される。

ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１と、アノード電極１１２と、カソード電極１１３と、を備える。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１の一方の面にアノード電極１１２を有し、他方の面にカソード電極１１３を有する。

電解質膜１１１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。

アノード電極１１２は、触媒層１１２ａとガス拡散層１１２ｂとを備える。触媒層１１２ａは、電解質膜１１１と接する。触媒層１１２ａは、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。ガス拡散層１１２ｂは、触媒層１１２ａの外側（電解質膜１１１の反対側）に設けられ、アノードセパレータ１２と接する。ガス拡散層１１２ｂは、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。

カソード電極１１３もアノード電極１１２と同様に、触媒層１１３ａとガス拡散層１１３ｂとを備える。

アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２ｂと接する。アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２ｂと接する側にアノード電極１１２にアノードガスを供給するための複数の溝状のアノードガス流路１２１を有する。

カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３ｂと接する。カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３ｂと接する側にカソード電極１１３にカソードガスを供給するための複数の溝状のカソードガス流路１３１を有する。

アノードガス流路１２１を流れるアノードガスと、カソードガス流路１３１を流れるカソードガスとは、互いに平行に同一方向に流れる。互いに平行に逆方向に流れるようにしても良い。

このような燃料電池１０を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池１０を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。

図２は、本発明の第１実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システム１の概略構成図である。

燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、冷却装置３と、アノードガス供給装置４と、コントローラ５と、を備える。

燃料電池スタック２は、複数枚の燃料電池１０を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電し、車両の駆動に必要な電力（例えばモータを駆動するために必要な電力）を発電する。

燃料電池スタック２にカソードガスを供給・排出するカソードガス給排装置については、本発明の主要部ではないので、理解を容易にするために図示を省略した。本実施形態ではカソードガスとして空気を使用している。

冷却装置３は、低温冷却水通路３１と、高温冷却水通路３２と、冷却水循環ポンプ３３と、ラジエータ３４と、バイパス通路３５と、三方弁３６と、温度センサ３７と、を備える。

低温冷却水通路３１は、燃料電池スタック２を冷却する冷却水のうち、ラジエータ３４で冷却された相対的に温度の低い冷却水が流れる通路である。低温冷却水通路３１を流れる冷却水の温度は概ね６０［℃］から８０［℃］程度である。低温冷却水通路３１は、上流側低温冷却水通路３１ａと、下流側低温冷却水通路３１ｂと、を備える。

上流側低温冷却水通路３１ａは、一端部がラジエータ３４に接続され、他端部が後述する下流バッファタンク４７の通水部４７２に接続される。

下流側低温冷却水通路３１ｂは、一端部が下流側バッファタンク４７の通水部４７２に接続され、他端部が燃料電池スタック２の冷却水入口孔２１に接続される。

高温冷却水通路３２は、燃料電池スタック２を冷却する冷却水のうち、燃料電池スタック２から排出された相対的に温度の高い冷却水が流れる通路である。高温冷却水通路３２を流れる冷却水の温度は概ね６０［℃］から９０［℃］程度である。高温冷却水通路３２は、上流側高温冷却水通路３２ａと、下流側高温冷却水通路３２ｂと、を備える。

上流側高温冷却水通路３２ａは、一端部が燃料電池スタック２の冷却水出口孔２２に接続され、他端部が後述する上流バッファタンク４５の通水部４５２に接続される。

下流側高温冷却水通路３２ｂは、一端部が上流バッファタンク４５の通水部４５２に接続され、他端部がラジエータ３４に接続される。

冷却水循環ポンプ３３は、上流側低温冷却水通路３１ａに設けられて、冷却水を循環させる。

ラジエータ３４は、高温冷却水通路３２を流れてきた冷却水の温度を下げて、低温冷却水通路３１へと排出する。

バイパス通路３５は、ラジエータ３４をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端部が下流側高温冷却水通路３２ｂに接続され、他端部が三方弁３６に接続される。

三方弁３６は、上流側低温冷却水通路３１ａに設けられる。三方弁３６は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が相対的に高いときは、燃料電池スタック２から排出された冷却水が、ラジエータ３４を介して再び燃料電池スタック２に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が相対的に低いときは、燃料電池スタック２から排出された冷却水が、ラジエータ３４を介さずにバイパス通路３５を流れて再び燃料電池スタック２に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。

温度センサ３７は、上流側高温冷却水通路３２ａに設けられて、上流側高温冷却水通路３２ａを流れる冷却水の温度を検出する。本実施形態では、温度センサ３７で検出された冷却水の温度を燃料電池スタック２の温度として代用している。

アノードガス供給装置４は、高圧タンク４１と、アノードガス供給通路４２と、調圧弁４３と、圧力センサ４４と、上流バッファタンク４５と、アノードガス排出通路４６と、下流バッファタンク４７と、パージ通路４８と、パージ弁４９と、を備える。

高圧タンク４１は、燃料電池スタック２に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。

アノードガス供給通路４２は、高圧タンク４１から排出されたアノードガスを燃料電池スタック２に供給するための通路であって、上流側アノードガス供給通路４２ａと、下流側アノードガス供給通路４２ｂと、を備える。

上流側アノードガス供給通路４２ａは、一端部が高圧タンク４１に接続され、他端部が上流バッファタンク４５の上部に接続される。

下流側アノードガス供給通路４２ｂは、一端部が上流バッファタンク４５の下部に接続され、他端部が燃料電池スタック２のアノードガス入口孔２３に接続される。

調圧弁４３は、上流側アノードガス供給通路４２ａに設けられる。調圧弁４３は、高圧タンク４１から排出されたアノードガスを所望の圧力に調節する。調圧弁４３は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ５によって制御される。

圧力センサ４４は、調圧弁４３よりも下流の上流側アノードガス供給通路４２ａに設けられる。圧力センサ４４は、調圧弁４３よりも下流の上流側アノードガス供給通路４２ａを流れるアノードガスの圧力を検出する。本実施形態では、この圧力センサ４４で検出したアノードガスの圧力を、燃料電池スタック内部の各アノードガス流路１２１と下流バッファタンク４７とを含むアノード系全体の圧力（以下「アノード圧」という。）として代用する。

上流バッファタンク４５は、燃料電池スタック２の近傍に設けられる。上流バッファタンク４５は、タンク部４５１と、通水部４５２と、を備える。

タンク部４５１は、燃料電池スタック２に供給するアノードガスを一旦蓄える。タンク部４５１には、上流側アノードガス供給通路４２ａ及び下流側アノードガス供給通路４２ｂがそれぞれ接続される。上流側アノードガス供給通路４２ａからタンク部４５１に流入してきたアノードガスは、タンク部４５１に一旦蓄えられた後、下流側アノードガス供給通路４２ｂを流れて燃料電池スタック２に供給される。

タンク部４５１の外壁４５１ａには、タンク部４５１に蓄えられたアノードガスが外部環境の影響を受けないように、断熱材が施される。

通水部４５２は、燃料電池スタック２から排出された冷却水を流すための通路である。通水部４５２には、上流側高温冷却水通路３２ａ及び下流側高温冷却水通路３２ｂがそれぞれ接続される。燃料電池スタック２から排出された冷却水は、上流側高温冷却水通路３２ａ、通水部４５２、下流側高温冷却水通路３２ｂの順に流れてラジエータ３４に流入する。

このように、本実施形態では上流バッファタンク４５に通水部４５２を設けることで、タンク部４５１に蓄えられたアノードガスと通水部４５２を流れる冷却水との間で熱交換できるようにして、タンク部４５１のアノードガスの温度と、冷却水の温度、すなわち燃料電池スタック２の温度と、に温度差が生じないようにしている。その理由については後述する。

通水部４５２の外周壁には、タンク部４５１に蓄えられたアノードガスと通水部４５２を流れる冷却水との熱交換を促進させるために、複数のフィン４５３が設けられる。

アノードガス排出通路４６は、一端部が燃料電池スタック２のアノードガス出口孔２４に接続され、他端部が下流バッファタンク４７の上部に接続される。アノードガス排出通路４６には、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からアノードガス流路１２１へとクロスリークしてきた窒素や水蒸気などの不純ガスと、の混合ガス（以下「アノードオフガス」という。）が排出される。

下流バッファタンク４７は、上流バッファタンク４５と同様の構造をしており、タンク部４７１と、通水部４７２と、を備える。

タンク部４７１は、燃料電池スタック２から排出されたアノードオフガスを一旦蓄える。タンク部４７１には、アノードガス排出通路及びパージ通路がそれぞれ接続される。

タンク部４７１の外壁４７１ａには、タンク部４７１に蓄えられたアノードオフガスが外部環境の影響を受けないように、断熱材が施されている。

通水部４７２は、燃料電池スタック２に供給する冷却水を流すための通路である。通水部４７２には、上流側低温冷却水通路３１ａ及び下流側低温冷却水通路３１ｂがそれぞれ接続される。ラジエータ３４で冷やされた冷却水は、上流側低温冷却水通路３１ａ、通水部、下流側低温冷却水通路３１ｂの順に流れて燃料電池スタック２に供給される。

このように、本実施形態では下流バッファタンク４７にも通水部４７２を設けることで、タンク部４７１に蓄えられたアノードオフガスと通水部４７２を流れる冷却水との間で熱交換できるようにし、タンク部４７１のアノードオフガスの温度と、冷却水の温度、すなわち燃料電池スタック２の温度と、に温度差が生じないようにしている。その理由については後述する。

通水部４７２の外周壁には、上流バッファタンク４５と同様に、タンク部４７１に蓄えられたアノードオフガスと通水部を流れる冷却水との熱交換を促進させるための複数のフィン４７３が設けられる。

パージ通路４８は、一端部が下流バッファタンク４７の下部に接続される。パージ通路４８の他端部は、開口端となっている。下流バッファタンク４７に溜められたアノードオフガス及び液水は、パージ通路４８を通って開口端から外気へ排出される。

パージ弁４９は、パージ通路４８に設けられる。パージ弁４９は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ５によって制御される。パージ弁４９の開度を調節することで、下流バッファタンク４７からパージ通路４８を介して外気へ排出するアノードオフガスの量を調節し、下流バッファタンク４７内のアノードガス濃度が所定濃度となるように調節する。燃料電池システム１の運転状態が同じであれば、パージ弁４９の開度を大きくするほど下流バッファタンク４７内の窒素濃度が低下し、アノードガス濃度が高くなる。

コントローラ５８は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

コントローラ５には、前述した温度センサ３７や圧力センサ４４の他にも、燃料電池スタック２の出力電流を検出する電流センサ５１などの、燃料電池システム１の運転状態を検出するための信号が入力される。

コントローラ５は、これらの入力信号に基づいて調圧弁４３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行うとともに、パージ弁４９の開度を調節して下流バッファタンク４７から排出するアノードオフガスの流量を調節し、下流バッファタンク４７内のアノードガス濃度を所定濃度に保つ。

アノードガス非循環型の燃料電池システム１の場合、調圧弁４３を開いたままにして高圧タンク４１から燃料電池スタック２にアノードガスを供給し続けてしまうと、燃料電池スタック２から排出された未使用のアノードガスを含むアノードオフガスが、下流バッファタンク４７からパージ通路４８を介して外気へ排出され続けてしまうので無駄となる。

そこで、本実施形態では調圧弁４３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行うのである。脈動運転を行うことで、下流バッファタンク４７に溜めたアノードオフガスを、アノード圧の減圧時に燃料電池スタック２に逆流させることができる。これにより、アノードオフガス中のアノードガスを再利用することができるので、外気へ排出されるアノードガス量を減らすことができ、無駄をなくすことができる。

以下、図３を参照して脈動運転について説明しつつ、アノード圧の減圧時に下流バッファタンク４７に溜めたアノードオフガスが燃料電池スタック２に逆流する理由について説明する。

図３は、燃料電池システム１の運転状態が一定の定常運転時における脈動運転について説明する図である。

図３（Ａ）に示すように、コントローラ５は、燃料電池スタック２にかかる負荷（以下「スタック負荷」という。）（出力電流）に基づいて、アノード圧の基準圧と脈動幅とを算出し、アノード圧の上限値及び下限値を設定する。そして、基準圧を中心として、脈動幅の範囲でアノード圧を周期的に増減圧させて、設定したアノード圧の上限値及び下限値の間でアノード圧を周期的に増減圧させる。

具体的には、時刻ｔ１でアノード圧が下限値に達したら、図３（Ｂ）に示すように、少なくともアノード圧を上限値まで増圧させることができる開度まで調圧弁４３を開く。この状態のときは、アノードガスは高圧タンク４１から燃料電池スタック２に供給され、下流バッファタンク４７へと排出される。

時刻ｔ２でアノード圧が上限値に達したら、図３（Ｂ）に示すように調圧弁４３を全閉とし、高圧タンク４１から燃料電池スタック２へのアノードガスの供給を停止する。そうすると、前述した（１）の電極反応によって、燃料電池スタック２内部のアノードガス流路１２１に残されたアノードガスが時間の経過とともに消費されるので、アノードガスの消費分だけアノード圧が低下する。

また、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスが消費されると、一時的に下流バッファタンク４７の圧力がアノードガス流路１２１の圧力よりも高くなるので、下流バッファタンク４７からアノードガス流路１２１へとアノードオフガスが逆流する。その結果、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスと、アノードガス流路１２１に逆流したアノードオフガス中のアノードガスが時間の経過とともに消費され、さらにアノード圧が低下する。

時刻ｔ３でアノード圧が下限値に達したら、時刻ｔ１のときと同様に調圧弁４３が開かれる。そして、時刻ｔ４で再びアノード圧が上限値に達したら、調圧弁４３を全閉とする。

次に、下流バッファタンク４７のタンク部４７１と燃料電池スタック２との間に温度差が生じないようにしている理由について説明する。

前述したアノード圧の基準圧と脈動幅は、燃料電池スタック２の温度と下流バッファタンク４７の温度とが等しいことを前提に設定されたものである。具体的には、下流バッファタンク４７の温度が、暖機完了後の燃料電池スタック２の定常温度（約６０［℃］）と等しいことを前提として設定されたものである。

しかしながら、本実施形態のように下流バッファタンク４７に通水部４７２を設けない場合には、下流バッファタンク４７のタンク部４７１の温度が外気温度や走行風などの外部環境によって変動し、燃料電池スタック２の定常温度よりも低くなったり高くなったりすることがある。つまり、燃料電池スタック２と下流バッファタンク４７との間で温度差が生じることがある。

脈動運転を実施する場合、燃料電池スタック２と下流バッファタンク４７との間で温度差が生じると、アノード圧を上限圧から下限圧まで低下させる減圧時及びアノード圧を下限圧から上限圧まで増加させる増圧時において、それぞれ以下のような問題が生じることがわかった。

まず、アノード圧の減圧時に生じる問題について説明する。

アノード圧が所定の上限圧に達したときの下流バッファタンク４７に存在するアノードガス（水素）の物質量は、下流バッファタンク４７の温度に応じて変化する。具体的には、下流バッファタンク４７内の圧力が同じであれば、下流バッファタンク４７の温度が低いときほど、下流バッファタンク４７の内部に存在するアノードガスの物質量は多くなる。

アノード圧の減圧時には、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスと、アノードガス流路１２１に逆流したアノードオフガス中のアノードガスとを消費させることで、アノード圧を上限圧から下限圧まで低下させている。そのため、下流バッファタンク４７のタンク部４７１に存在するアノードガスの物質量が多くなるほど、アノード圧を下限圧まで低下させるために必要なアノードガスの消費量が多くなるので、アノード圧を下限圧まで低下させるために必要な時間が長くなる。

アノード圧を下限圧まで低下させるために必要な時間が長くなると、アノード圧の減圧時において、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他より低くなる部分が発生する。この理由について、図４を参照して説明する。

図４は、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生する理由について説明する図である。図４（Ａ）は、アノード圧の減圧時におけるアノードガス流路１２１内のアノードガス及びアノードオフガスの流れを示した図である。図４（Ｂ）は、アノード圧の減圧時におけるアノードガス流路１２１内のアノードガスの濃度分布を、時間の経過に応じて示した図である。

図４（Ａ）に示すように、調圧弁４３が全閉にされると、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスが消費されると、一時的に下流バッファタンク４７のタンク部４７１の圧力がアノードガス流路１２１の圧力よりも高くなるので、下流バッファタンク４７側からアノードガス流路１２１へとアノードオフガスが逆流してくる。また、同様にアノードガス供給通路４２にある高濃度のアノードガスも、圧力の低いアノードガス流路１２１へ流れ込んでくる。

そうすると、アノードガス供給通路２２側からアノードガス流路１２１へ流れ込んでくるアノードガスと、下流バッファタンク４７側からアノードガス流路１２１へと逆流してきたアノードオフガスと、の合流部において、それぞれのガス流速が略ゼロとなる淀み点が発生する。

アノードガス流路１２１内でこのような淀み点が発生すると、前述した（１）の電極反応に使用されないアノードオフガス中の窒素が、時間の経過に応じて淀み点近傍に溜まっていく。その結果、淀み点近傍の窒素濃度が時間の経過に応じて他よりも高くなってしまい、図４（Ｂ）に示すように、淀み点近傍のアノードガス濃度が時間の経過に応じて他よりも低くなってしまう。

アノードガス流路１２１内で最もアノードガス濃度が低くなる部分のアノードガス濃度（以下「流路内最低アノードガス濃度」という。）が、予め定められた許容下限アノードガス濃度を下回ると、その部分で前述した（１）及び（２）の電極反応が阻害されて電圧が負電圧に転じるおそれがあり、燃料電池１０を劣化させる原因となる。

次に、アノード圧の増圧時に生じる問題について説明する。

前述したように、アノード圧が所定の上限圧に達したときの下流バッファタンク４７の内部に存在するアノードガス（水素）の物質量は、下流バッファタンク４７の温度に応じて変化する。具体的には、下流バッファタンク４７内の圧力が同じであれば、下流バッファタンク４７の温度が高くなるほど、下流バッファタンク４７の内部に存在するアノードガスの物質量は少なくなる。

そのため、下流バッファタンク４７の温度が高くなるほど、アノード圧を上限圧まで増加させるのに必要なアノードガス量が少なくなる。その結果、下流バッファタンク４７の温度が高くなるほど、アノード圧の増圧時におけるアノードガスの流速、ひいては運動エネルギーが低下し、アノードガス流路１２１内の液水の排出性能が低下する。

アノードガスの運動エネルギーが、アノードガス流路１２１内の液水を排出するために必要な運動エネルギーの最小値（以下「許容下限運動エネルギー」という。）を下回ると、アノードガス流路１２１内でフラッディングが発生するおそれがあり、これもまた燃料電池１０を劣化させる原因となる。

そこで本実施形態では、下流バッファタンク４７に通水部４７２を設けることで、タンク部４７１に蓄えられたアノードオフガスと通水部４７２を流れる冷却水との間で熱交換できるようにし、タンク部４７１の温度と、燃料電池スタック２の温度と、に温度差が生じないようにしたのである。

これにより、下流バッファタンク４７のタンク部４７１の温度が、燃料電池スタック２の定常温度よりも低くなるのを抑制できるので、アノード圧を下限圧まで低下させるために必要な時間が長くなるのを抑制できる。よって、アノード圧の減圧時に流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度を下回るのを抑制できる。

また、下流バッファタンク４７のタンク部４７１の温度が、燃料電池スタック２の定常温度よりも高くなるのも抑制できるので、アノード圧を上限圧まで増加させるのに必要なアノードガス量が減少するのを抑制できる。よって、アノード圧の増圧時にアノードガスの運動エネルギーが許容下限運動エネルギーを下回るのを抑制できる。

続いて、上流バッファタンク４５のタンク部４５１と燃料電池スタック２との間に温度差が生じないようにしている理由について説明する。

燃料電池システム１を車両に搭載する場合、配置スペースや重量バランスの観点から、燃料電池スタック２が車両前方に搭載され、高圧タンク４１が車両後方に搭載されることが多い。そのため、アノードガス供給通路４２が長くなり、アノードガス供給通路４２を流れるアノードガスが外気温度や走行風などの外部環境の影響を受けやすくなる。

したがって、外部環境によっては燃料電池スタック２に供給されるアノードガスと燃料電池スタック２との温度差が大きくなってしまう。

そこで本実施形態では、上流バッファタンク４５に通水部４５２を設けることで、タンク部４５１に蓄えられたアノードガスと通水部４５２を流れる冷却水との間で熱交換できるようにし、タンク部４５１の温度、すなわち燃料電池スタック２に供給されるアノードガスの温度と、燃料電池スタック２の温度と、に温度差が生じないようにしたのである。

これにより、燃料電池スタック２から排出されたアノードオフガスの温度と燃料電池スタック２の温度との間に温度差が生じにくくなる。また、上流側のアノードガスの温度が、燃料電池スタック２の定常温度よりも低くなるのを抑制できるので、アノード圧を下限圧まで低下させるために必要な時間が長くなるのを抑制できる。よって、アノード圧の減圧時に流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度を下回るのを抑制できる。

以上説明した本実施形態によれば、下流バッファタンク４７に通水部４７２を設けてタンク部４７１に蓄えられたアノードオフガスと通水部４７２を流れる冷却水との間で熱交換できるようにし、タンク部４７１の温度と、燃料電池スタック２の温度と、に温度差が生じないようにした。

また本実施形態よれば、上流バッファタンク４５に通水部４５２を設けてタンク部４５１に蓄えられたアノードガスと通水部４５２を流れる冷却水との間で熱交換できるようにし、燃料電池スタック２に供給されるアノードガスの温度と、燃料電池スタック２の温度と、に温度差が生じないようにした。

また本実施形態によれば、上流バッファタンク４５のタンク部４５１の外壁４５１ａ、及び、下流バッファタンク４７のタンク部４７１の外壁４７１ａのそれぞれに断熱材を施した。これにより、上流バッファタンク４５のタンク部４５１に蓄えられたアノードガスに対する外部環境の影響を少なくすることができる。同様に、下流バッファタンク４７のタンク部４７１に蓄えられたアノードオフガスに対する外部環境の影響を少なくすることができる。

また本実施形態によれば、上流バッファタンク４５の通水部４５２の外周壁にフィン４５３を設けた。これにより、上流バッファタンク４５のタンク部４５１に蓄えられたアノードガスと通水部４５２を流れる冷却水との熱交換を促進させて、上流バッファタンク４５と燃料電池スタック２との間に温度差が生じるのを抑制できる。

同様に、下流バッファタンク４７の通水部４７２の外周壁にフィン４７３を設けた。これにより、下流バッファタンク４７のタンク部４７１に蓄えられたアノードオフガスと通水部４７２を流れる冷却水との熱交換を促進させて、下流バッファタンク４７と燃料電池スタック２との間に温度差が生じるのを抑制できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、下流バッファタンク４７の通水部４７２に、燃料電池スタック２から排出された冷却水を流す点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

図５は、本発明の第２実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システム１の概略構成図である。

本実施形態による燃料電池システム１の冷却水装置３は、一端部が上流側高温冷却水通路３２ａに接続され、他端部が下流バッファタンク４７の通水部に接続される分岐通路３８と、一端部が下流バッファタンク４７の通水部４７２に接続され、他端部が下流側高温冷却水通路３２ｂに接続される合流通路３９と、を備える。

これにより、上流バッファタンク４５の通水部４５２及び下流バッファタンク４７の通水部４７２のそれぞれに燃料電池スタック２から排出された冷却水を流すことができる。

ラジエータ３４で冷やされて燃料電池スタック２に供給される冷却水の温度よりも、燃料電池スタック２から排出された冷却水の温度の方が、燃料電池スタック２の温度に近い。そのため、下流バッファタンク４７の通水部４７２に燃料電池スタック２から排出された冷却水を流すことで、下流バッファタンク４７のタンク部４７１の温度と、燃料電池スタック２の温度と、の温度差をより抑制することができる。

以上説明した本実施形態によれば、下流バッファタンク４７の通水部４７２にも燃料電池スタック２から排出された冷却水を流すことにした。これにより、第１実施形態と同様の効果が得られるほか、下流バッファタンク４７のタンク部４７１の温度と、燃料電池スタック２の温度と、の温度差をより抑制することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、上記各実施形態では、冷却水との熱交換によって上流バッファタンク４５のタンク部４５１及び下流バッファタンク４７のタンク部４７１の温度を燃料電池スタック２の温度と同程度になるように調節していた。

しかしながら、これに限らず、上流バッファタンク４５のタンク部４５１及び下流バッファタンク４７のタンク部４７１に電気ヒータ等の熱源を設けて燃料電池スタック２の温度と同程度になるように調節しても良い。

また、上流バッファタンク４５のタンク部４５１及び下流バッファタンク４７のタンク部４７１のいずれか一方のみを燃料電池スタック２の温度と同程度になるように調節しても良い。

また、上記第１実施形態では、上流バッファタンク４５の通水部４５２に燃料電池スタック２から排出された冷却水を流し、下流バッファタンク４７の通水部４７２に燃料電池スタック２に供給する冷却水を流していた。しかしながら、これに限らず、上流バッファタンク４５の通水部４５２に燃料電池スタック２に供給する冷却水を流し、下流バッファタンク４７の通水部４７２に燃料電池スタック２から排出された冷却水を流しても良い。

１燃料電池システム
１０燃料電池
４５上流バッファタンク
４５２通水部（温度調節機構）
４７下流バッファタンク
４７２通水部（温度調節機構）
４７３フィン

Claims

燃料電池に供給するアノードガスの圧力を周期的に増減圧させて発電するアノードガス非循環型の燃料電池システムであって、
前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄える下流バッファタンクと、
前記下流バッファタンクの温度を前記燃料電池の温度に調節する下流バッファ温度調節機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記下流バッファ温度調節機構は、
前記下流バッファタンクに設けられた通水部に、前記燃料電池の冷却水を流してその下流バッファタンクの温度を前記燃料電池の温度に調節する、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記通水部には、前記燃料電池から排出された冷却水が流れる、
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記通水部の外周には、その通水部を流れる冷却水と、前記下流バッファタンクに蓄えられたアノードオフガスと、の間で熱交換を促進するフィンが設けられる、
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。
前記下流バッファタンクは、その外壁に設けられた断熱層をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
前記燃料電池に供給するアノードガスを蓄える上流バッファタンクと、
前記上流バッファタンクの温度を前記燃料電池の温度に調節する上流バッファ温度調節機構と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
燃料電池に供給するアノードガスの圧力を周期的に増減圧させて発電するアノードガス非循環型の燃料電池システムであって、
前記燃料電池に供給するアノードガスを蓄える上流バッファタンクと、
前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄える下流バッファタンクと、
前記上流バッファタンクの温度を前記燃料電池の温度に調節する上流バッファ温度調節機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。